管道内水合物堵塞块移动速度计算模型的建立与分析＊

姚海元 李清平 程 兵 余 敏

（中海油研究总院）

1 问题的提出

随着海上油气田开发水深的增加，海底油气水混输管道面临的水合物堵塞问题越来越严重，尤其在管道启动、停输或再启动时更易出现水合物堵塞事故［1-2］。目前，处理管道内水合物堵塞事故应用最为广泛的方法是降压法［3］。它是通过降低管道内压力使管道内水合物堵塞块分解，但在降压过程中不易控制水合物堵塞块两侧的压力平衡，致使水合物堵塞块向低压侧快速移动，对下游弯管或阀门造成冲击破坏，如图1所示。对于短距离管道而言，这种风险更大。因此，有必要针对管道内水合物堵塞事故降压解堵过程进行分析，在此基础上建立管道内水合物解堵过程中水合物块的移动速度计算模型，为管道内水合物堵塞事故的处理提供指导。

图1 管道内水合物堵塞块移动对下游弯管段和阀门造成损坏示意图

2 模型建立

以图2所示的管道内水合物堵塞为例进行建模，该建模过程基于以下假设：①水合物块移动过程中水合物块质量不发生变化；②水合物块完全隔绝两侧的气体；③水合物块两侧气体的平均可压缩性保持不变；④水合物块移动过程中两侧管段内温度保持不变。

图2 管道内水合物块堵塞建模示意图

根据图2所示，由牛顿第二定律得到如下方程

由气体状态方程［4］可得水合物块上游压力和下游压力分别为

若

最终得到水合物块移动速度

3 算例分析

由模型的建立过程可知，建模过程的有关假设更贴近于短距离管道的实际情况，对于避免在水合物解堵过程中出现图1所示的危险情况更有意义。以处理水下跨接管内水合物堵塞事故为例进行分析：跨接管长度50 m，管内径0.254 m；输送气体组分为甲烷0.75、乙烷0.10、丙烷0.08、氮气0.04、二氧化碳0.03，其他组分为少量液态水（这里忽略不计）；假设水合物块质量为200 kg，密度为926 kg／m3，在距入口15 m处发生水合物堵塞；解堵时水合物块前后压力分别为4.1 MPa和1.7 MPa，管段内温度为3℃。

根据本文模型求得不同单位质量水合物块与管壁间摩擦力情况下水合物块移动速度与移动距离之间的关系，如图3所示。

图3 管道内不同单位质量水合物块摩擦力情况下水合物块移动速度与移动距离关系图

从图3可以看出：不同单位质量水合物块摩擦力对水合物块的移动速度有很大影响，摩擦力越小，水合物块最大移动速度越高，移动距离也越远。鉴于目前对水合物堵塞块质量及其摩擦力的预测技术还很不成熟，为安全起见，在管道内水合物解堵时认为无水合物块摩擦力。

对于距离较短的跨接管而言，在水合物解堵过程中最易产生的事故如图1a所示。根据动量定理可得到水合物块经过弯管处的冲击力为

其中：M=ρhAVht

则式（9）可变为

通过式（10）可计算得到本例中水合物块经过弯管处的最大冲击力Fmax=153.2 N。然后将该值与跨接管结构设计强度相比较来确定是否存在冲击破坏风险。

4 结束语

针对管道内水合物降压法解堵过程的特点，建立了解堵过程中水合物块的移动速度计算模型，可有效地预测水合物块移动速度与移动距离之间的关系，进而可计算出水合物块对下游管道最大的冲击力，以确定是否对管道造成冲击破坏。下一步应加强对管道内水合物堵塞点、水合物堵塞块大小及其摩擦力的理论计算方面的研究，进一步提高模型预测精度。

符号注释

M—水合物块质量，kg；A—管道截面积，m2；x—水合物块移动距离，m；f—水合物块与管壁间摩擦力，N；ρh—水合物块密度，kg／m3；mu、md—水合物块上游、下游气体的质量，kg；pu、pd—水合物块上游、下游气体的压力，Pa；Tu、Td—水合物块上游、下游气体的温度，℃；Lu、Ld—水合物块上游、下游管道长度，m；Zu、Zd—水合物块上游和下游气体的压缩系数；R—气体常数。

［1］衣华磊，周晓红，朱海山，等.深水气田水下井口开发水合物抑制研究［J］.中国海上油气，2012，24（5）：54-57.

［2］喻西崇，李清平，安维杰.海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律研究进展［J］.中国海上油气，2006，18（1）：61-67.

［3］白玉湖，李清平，李相方.降压法开采天然气水合物藏物理模拟相似准则分析［J］.中国海上油气，2008，23（3）：143-147.

［4］王树立，赵会军.输气管道设计与管理［M］.北京：化学工业出版社，2005：24-32.